三種窄間隙焊接技術的特性比較與應用選擇

張富巨，郭嘉琳，張國棟

（1.武漢大學，湖北 武漢 430072；2.武漢納瑞格智能設備有限公司，湖北武漢430223）

三種窄間隙焊接技術的特性比較與應用選擇

張富巨1，2，郭嘉琳1，張國棟1

（1.武漢大學，湖北 武漢 430072；2.武漢納瑞格智能設備有限公司，湖北武漢430223）

窄間隙技術是弧焊技術中向更高生產率、更高質量、更低焊接生產成本大幅度進步的最有效技術。針對現有窄間隙技術應用中存在的認識誤區，分別列出窄間隙埋弧焊、窄間隙熱絲脈沖鎢極氬弧焊、窄間隙氣體保護焊3種成熟技術的各自技術優勢以及技術局限性。在此基礎上提出生產應用選擇的指導原則：同時要求具有高的焊接生產率、高的接頭質量、低的焊接成本時，優先選用窄間隙氣體保護焊技術；僅僅只考慮接頭質量和力學性能，不考慮焊接生產率和成本時可選用窄間隙熱絲脈沖鎢極氬弧焊技術；平焊位置作業，只考慮過程的穩定性和焊接質量，不考慮工藝技術的簡便性、接頭的殘余應力大小和焊接成本時，可選擇窄間隙埋弧焊。

窄間隙埋弧焊；窄間隙氣體保護焊；窄間隙熱絲脈沖鎢極氬弧焊；焊接熱輸入；側壁熔合

0 前言

21世紀的弧焊技術進步從自動化生產角度上看，將大踏步邁入智能化和機器人化焊接的時代。在厚板特厚板領域，從核心技術的應用上看將廣泛步入“窄間隙焊接”時代。

“窄間隙焊接Narrow-gap welding”概念自1962年初由美國Battelle海軍研究所提出半個世紀以來，已開發成功并獲得生產應用的窄間隙焊接技術主要有3種[1]：窄間隙埋弧焊Narrow-gap SAW（NG-SAW）、窄間隙鎢極氬弧焊Narrow-gap TIG welding（NG-TIG）和窄間隙氣體保護焊Narrow-gap GMAW（NG-GMAW），其中窄間隙氣體保護焊中最廣泛的應用形式是窄間隙MAG/MIG（NG-MAG/MIG）焊；窄間隙FCAW和窄間隙CO2氣體保護焊已幾乎退出了窄間隙氣體保護焊的應用領域。3種窄間隙焊接技術的不同技術特征，決定著分別擁有不同的最佳適用場合。本研究的技術特性分析和比較將為用戶更合理選擇應用窄間隙焊接技術提供更為科學的參考與指導。

1 窄間隙埋弧焊的優勢與局限性

滯后于埋弧焊方法發明約30年的窄間隙埋弧焊（NG-SAW）技術，20世紀80年代初開始在工業領域應用。NG-SAW技術完完全全遺傳了SAW方法的固有優點，而又一定程度上克服了少部分傳統SAW方法的固有局限性[2]。

NG-SAW的主要技術優勢：

（1）熔敷速度高。

焊縫金屬的熔敷速度較大程度上決定著焊接生產率，但不能完全決定焊接生產率。使用φ3mm以下直徑焊絲時，熔敷速度為6～8kg/h；使用φ3mm以上直徑焊絲時，熔敷速度為7～12 kg/h。若采用多絲，熔敷速度是單絲的倍數關系。

（2）焊縫幾何尺寸受焊接電流電壓波動影響的敏感性低[3]。

在其他弧焊方法中，焊接電流和電壓的波動范圍若超過10%，往往導致焊縫幾何參數發生明顯變化，甚至導致未熔合、未焊透、咬邊等工藝缺陷的產生。而在NG-SAW條件下，焊接電流和電壓即使波動±10%，焊縫幾何參數的波動也不十分顯著，未熔合、未焊透等工藝缺陷的產生概率很低，即焊縫質量受焊接電流、電壓波動影響的敏感性低。傳統SAW方法的這一技術優勢完全遺傳給了NG-SAW技術，主要基于三方面因素：一是SAW使用的電流強度很高，通常是其他弧焊方法的2～3倍；二是焊劑層下電弧的熱效率更高；三是熔寬和熔深的裕度遠高于其他弧焊方法，因而焊接工藝質量穩定可靠。

（3）焊縫成形質量美觀。

極大的焊縫形狀系數（W/H）、渣壁過渡、熔池的液態存在時間更長、熔化焊劑的熔池表面保護的綜合作用，導致NG-SAW的焊縫外觀成形更平滑更美觀。

NG-SAW的主要技術局限性：

（1）不適合平焊以外的其他空間位置的焊接尤其是不能立焊、仰焊和全位置焊接。

（2）由于脫渣的原因，相同板厚下焊接坡口填充面積的降低幅度較小，比實心焊絲窄間隙MAG/MIG焊的填充面積至少增大30%左右，尤其是特厚板和超厚板焊接時該局限性更為突出。

（3）焊接熱輸入遠遠高于窄間隙MAG/MIG焊接頭的焊態塑、韌性指標和強度指標不及較低熱輸入的窄間隙MAG/MIG焊，粗絲和多絲窄間隙埋弧焊時該局限性更為突出，對于低合金高強鋼的焊態接頭直接承載服役往往不太合適，必須焊后熱處理

2 窄間隙鎢極氬弧焊的優勢和局限性

目前全球關于窄間隙鎢極氬弧焊的應用形式基本上都是熱絲脈沖鎢極氬弧焊，該技術也是20世紀80年代開始工業應用，其主要技術優勢有：

（1）無熔滴穿越電弧區過渡，無飛濺產生，焊接電流、電壓高度穩定，弧焊過程高度穩定，焊縫幾何尺寸穩定可靠。

（2）惰性氣氛下焊接，焊縫冶金純凈度高，焊接接頭的焊態力學性能（強度、塑性、韌性）指標全面優異，除去焊接殘余應力因素外，通常不需要焊后熱處理來改善焊接接頭的組織和提高其力學性能

（3）可使用更小的焊接坡口填充面積，焊絲和電能的消耗可降低到較理想的狀態。

（4）目前是窄間隙焊接技術中唯一可全位置焊接的技術，因而可應用于安裝位置管道的全位置焊接。

NG-TIG焊的主要局限性有：

（1）側送絲和解決兩側壁可靠熔合的技術原因導致焊縫的熔敷速度低，通常只能達到1.2 kg/h，熱絲脈沖方法下最高只有2.1 kg/h，是填充式弧焊方法中焊接生產率最低的方法之一。

（2）低的焊接生產率和使用純惰性氣體，導致焊接生產成本較高。

3 窄間隙MAG/MIG焊的技術優勢與局限性[1，2，4]

最早的窄間隙MAG/MIG焊應用始于20世紀60年代末，一定規模的早期應用是在20世紀70年代中后期，其主要技術優勢有：

（1）焊接坡口的填充面積與窄間隙鎢極氬弧焊坡口尺寸相近，較大幅度小于NG-SAW的坡口尺寸；這將導致同樣板厚條件下焊接工程量和焊接工時大幅度減少，焊接生產率更高，是NG-TIG焊的4～5倍，是單絲NG-SAW的1.2倍。

（2）窄間隙MAG/MIG焊的主要應用方式是細絲（如φ1.2 mm），常使用脈沖射流過渡的規范，該規范下具有較高的熔敷速度，單絲時很容易實現4～5 kg/h的熔敷速度，與較小的焊接坡口填充面積結合起來，具有顯著的高焊接生產率特征；若再使用多絲或應用超窄間隙MAG焊技術，其焊接生產率將遠遠高于NG-SAW焊。

（3）焊接熱輸入低。NG-MAG/MIG常用熱輸入10～12kJ/cm，而NG-SAW常用熱輸入為 20～40kJ/cm，這將帶來兩大技術利好：一是焊接接頭的過熱脆化、弱化大幅度減輕，即焊態接頭的強度、塑性和韌性會更高；尤其是對于低合金調質高強度、細晶粒高強鋼，較低的熱輸入十分有利于焊接HAZ軟化、粗晶區脆化和焊縫區粗大柱狀晶而導致的強度弱化的減輕和改善[5-6]；二是較低的熱輸入大幅度降低了焊接接頭的焊接殘余應力和殘余變形，這對于提高焊接接頭的承載能力和提高焊件的尺寸精度都十分有利。

（4）焊接生產成本革命性的降低。比NG-TIG焊降低60%～70%；比NG-SAW焊降低26%～35%；若采用超窄間隙MAG/MIG焊，其焊接生產成本的降低可達80%以上。

NG-MAG/MIG焊的主要局限性：

（1）對熔滴過渡的穩定性要求很高，焊接飛濺率必須極低，理想的飛濺率在1%以下，即焊接過程中僅見到稀少的極細小飛濺顆粒，基本上杜絕大顆粒的飛濺。這是因為狹小的窄間隙坡口內飛濺很容易堵塞噴嘴并破壞保護氣體的流態，進而影響對高溫焊縫金屬的保護。具有脈沖電流輸出和高質量協同控制功能的MAG/MIG平特性電源方能滿足上述要求。目前真正能滿足上述要求的熔化極氣保焊電源的生產廠家還局限于少數的國際知名品牌。

（2）側壁未熔合是窄間隙焊接的世界性難題，數十年來此技術領域的開發主要是圍繞該難題展開的。相對窄間隙TIG焊和窄間隙SAW而言，窄間隙MAG/MIG焊的技術難度要大很多，數十年來已發明的波浪焊絲、麻花焊絲、偏心旋轉焊絲、焊絲固定側偏、磁驅動電弧偏擺等技術，其實質均是讓能量密度更高的電弧中心向兩側壁更靠近，但僅靠電弧作用靠近側壁的技術措施遠遠不夠，還必須同時使用特別的高精度、高響應速度且抗干擾能力極強的焊縫軌跡自適用跟蹤技術，因為在趨零坡口面角窄間隙條件下，傳統的電弧跟蹤、二維激光跟蹤、圖像處理等自適應跟蹤技術幾乎均不適用。

兩側壁的均勻可靠熔合是窄間隙MAG/MIG焊技術的最關鍵技術，歷經近半世紀的研發表明，解決該關鍵技術的兩大技術途徑：一是使電弧向兩側壁靠近到合適的距離，二是趨零坡口面角下的自適應焊縫軌跡跟蹤，二者缺一不可。目前這兩大關鍵技術已突破且在生產中開始應用。

4 3種窄間隙焊接技術的特性比較

從焊接熱輸入、焊接接頭焊態力學性能、焊接空間位置的適應性、焊接生產成本4個主要方面，對窄間隙埋弧焊、窄間隙鎢極氬弧焊和窄間隙氣體保護焊三種技術加以比較。

由表1可知，NG-TIG焊與NG-MAG/MIG焊的常用熱輸入相當，均在15kJ/cm以下；NG-SAW的熱輸入范圍寬至 20～80kJ/cm，常用25～50kJ/cm，是NGTIG和NG-MAG/MIG的2～5倍。

表1 三種窄間隙焊接技術的熱輸入

焊態焊接接頭的力學性能與焊接熱輸入、焊接熱循環、焊接材料和焊縫金屬的冶金特性密切相關。一般情況下，焊縫區和HAZ的過熱區的晶粒尺寸與焊接熱輸入成正比，焊接熱輸入越高，接頭在Ac3以上溫度的停留時間越長、冷卻速度越慢，晶粒越粗大、焊接熱影響區越寬，該區的粗晶脆化和弱化越嚴重；隨著焊件鋼種的不同，其接頭的焊態力學性能盡管千差萬別，多數情況下更高的熱輸入對焊接接頭的強度、塑性和韌性的損傷是弊大于利的，尤其是高合金鋼、調質低合金高強鋼、細晶粒高強鋼、大多數低合金耐熱鋼、中合金耐熱鋼和高合金耐熱鋼，都采用較低的焊接熱輸入。

焊接空間位置的適應性主要與焊接熱輸入有關。NG-SAW由于渣罩和焊劑保持的原因，只能水平或近水平位置焊接最佳，橫焊位置采用特別技術也可以施焊，其他位置就不可能了。NG-TIG焊由于熱輸入低、熔池體積小、結晶較快，可適應所有位置的焊接。NG-MAG/MIG焊，尤其是脈沖電流，僅仰焊較困難外，其他所有位置都可以高質量、高效率的施焊。

3種窄間隙焊接技術的直接生產成本（1 m長焊縫）與板厚的關系如圖1所示。相同板厚條件下，NGMAG/MIG的直接生產成本（主要指焊絲、焊劑、保護氣體和電能的消耗、工人工資）最低，與NG-SAW焊相比降低了30%，主要原因是電能的節約；與NGTIG焊相比，降低了70%，主要原因是氣體和工資成本的節約。

圖1 3種窄間隙焊接技術的焊接生產成本與板厚的關系

5 窄間隙焊接技術的應用及其選擇

隨著現代焊接結構向更高參數、更高容量的快速發展，要求弧焊技術具有更高的焊接生產率、更可靠的焊接質量、更低的焊接生產成本、更智能化的自動化焊接生產，已成為21世紀焊接生產中普遍追求的發展方向。窄間隙焊接技術是實現這一目標最為有效的技術途徑。

3種窄間隙焊接技術目前幾乎已在所有領域均有成熟的生產應用。我國于20世紀80年代在鍋爐、壓力容器領域開始應用窄間隙埋弧焊，20世紀90年代開始應用窄間隙熱絲鎢極氬弧焊，21世紀初開始應用窄間隙氣體保護焊。目前在窄間隙焊接技術應用領域尚存在下述兩大誤區。

（1）誤區一是僅在特厚板和超厚板焊接結構生產上有必要應用窄間隙焊接技術。這個觀點并無錯誤，原因是特厚板、超厚板由于巨大的焊接工程量、巨大的焊接殘余應力、過高的焊接生產成本等原因，導致需要應用窄間隙技術最為迫切；事實上是在厚板領域（如t=30～80 mm）應用窄間隙焊接技術，相比較應用傳統弧焊技術，也有十分可觀的焊接生產率和焊接質量提高，且同時有可觀的焊接生產成本降低；在中厚板（5～28 mm）領域，應用窄間隙埋弧焊和窄間隙熱絲脈沖氬弧焊的確沒有必要但應用超窄間隙氣體保護焊仍有可觀的技術改善和經濟效益提高。

（2）誤區二是窄間隙氣體保護焊的工藝質量不如窄間隙埋弧焊和窄間隙熱絲氬弧焊那樣可靠。該觀點在熔化極氣體保護焊的協同控制電源可靠且成熟應用之前是成立的。但自20世紀末弧壓波動能穩定在±0.3‰（±0.1V）、且基本無飛濺的GMAW電源問世以來，上述觀點基本上不成立了。僅靠極高熔滴的過渡穩定還不能可靠保障NG-MAG/MIG焊的工藝質量，還必須同時與兩側壁可靠熔合技術、窄間隙坡口下電弧作用位置可靠的自適應跟蹤技術、高溫焊接區可靠的氣體保護技術和高可靠性的氣保護窄間隙焊槍等技術可靠融合和配套，才能可靠保障NG-MAG/MIG焊的工藝質量，目前該完全配套的技術和產品已在重大能源裝備等領域成功應用。

選擇應用窄間隙MAG/MIG焊接技術，還有下述原則可供參考。

（1）工藝質量保障能力優先原則。

NG-SAW、NG-TIG、NG-MAG/MIG 三種技術中，只要工藝技術正確、設備可靠性高和質量保障技術配套，均能保障工藝質量合格和接頭承載能力滿足結構設計要求，但在下述技術特性方面三種技術有較大的差異：

a.在空間位置適用性上。NG-SAW不適用于平焊以外的其他位置；NG-TIG可適用于所有位置NG-MAG/MIG僅在仰焊位置較困難，其他位置均能保障質量。

b.在保障工藝質量前提下優先選用更簡便的工藝技術。僅氣相保護焊縫金屬的NG-TIG和NGMAG/MIG，要比氣-渣聯合保護的NG-SAW工藝更簡便，無需焊劑的適配、烘干、篩分等工藝，也無渣污染。

（2）接頭承載能力優先原則。

在焊材選用正確的前提下，接頭的承載能力往往與焊接熱輸入緊密相關。鑒于NG-TIG和NG-MAG MIG的焊接熱輸入往往比NG-SAW低1～2個數量級，一般情況下前兩種技術的焊縫區焊態強度更高塑韌性更高，焊接殘余應力水平更低，通常無需焊后熱處理即可服役，而NG-SAW接頭通常要焊后熱處理，尤其是能源領域的熱力設備，即使不進行改善組織的PHT，也需消應力處理。在低合金調質高強鋼和部分高強合金鋼領域，往往選用熱輸入較低的NG-MAG/MIG或NG-TIG技術，更有利于NGSAW。

（3）更高經濟效益原則。

按焊接生產率從高到低、直接焊接生產成本由低到高、作為選用技術的經濟效益由高到低的排序是：最高是NG-MAG/MIG焊，其次是NG-SAW焊，最低的是NG-TIG焊。

6 結論

（1）窄間隙埋弧焊具有熔敷速度高、焊縫成形美觀、工藝質量保障能力高、焊接參數波動影響敏感性低的優越性；局限性是空間位置適應性差、氣-渣聯合保護而致的工藝相對復雜、焊接熱輸入高、焊接殘應力高、焊態力學性能次于較低熱輸入的其他窄間隙焊接技術。

（2）窄間隙鎢極氬弧焊具有無熔滴過渡和飛濺，焊接過程、工藝質量和冶金質量十分穩定。接頭力學性能優異，填充面積小、消耗焊絲少、可全位置焊接等優勢；局限性是焊接生產率很低，焊接生產成本較高。

（3）窄間隙MAG/MIG焊具有焊接坡口填充面積小、熔敷速度高、焊接熱輸入較低、焊接接頭焊態力學性能高、焊接成本革命性降低的優勢；局限性是需要高性能的弧焊電源、且必須有特殊的側壁熔合控制技術、氣體保護技術、焊縫軌跡跟蹤技術、特殊的焊槍設計制造技術與之配套。

（4）同時要求具有高的焊接生產率、高的接頭質量、低的焊接成本時優先選用NG-MAG/MIG焊技術；僅僅只考慮接頭質量和力學性能，不考慮生產率和成本時可選用NG-TIG焊技術；平焊位置作業只考慮過程的穩定性，不考慮工藝技術的簡便性，接頭的殘余應力大小和焊接成本時，可選擇NG-SAW。

[1]史耀武.新編焊接數據手冊[M].北京：機械工業出版社，2014.

[2]黃石生.焊接科學基礎[M].北京：機械工業出版社，2013.[3]中國機械工程學會焊接分會.焊接詞典[M].北京：機械工業出版社，2008.

[4][日]焊接學會方法委員會.窄間隙焊接[M].尹士科，等譯.北京：機械工業出版社，1988.

[5]草野和喜，Kazuki Kusano.最近の高能率ティグの開発動向——大溶著ティグ溶接ぉょび超狹開先ティグ溶接[J].溶接技術，2002（4）：[頁碼不詳].

Characteristic comparison and application selection of three narrow gap welding technologies

ZHANG Fuju1，2，GUO Jialin1，ZHANG Guodong1
（1.Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Wuhan Intelligent Equipment Co.，Ltd.，Wuhan 430223，China）

Narrow gap welding has higher productivity，better performance and lower cost.For some misunderstandings in practical applications of narrow gap welding，the advantages and limits of three different commonly used welding technologies are analyzed such as NG-SAW，NG-Hot wire pulsed TIG welding and NG-MAG welding.For practical applications，NG-MAG welding is proposed for higher productivity，higher quality of welded joints and lower cost.NG-Hot wire pulsed TIG welding could be used when weld's mechanical performance is prior than productivity and cost，and NG-SAW could be adopted for downhand welding when stability of welding process and welding quality are prior.

NG-SAW；NG-MAG welding；NG-Hot wire pulsed TIG welding；heat input；sidewall fusion

TG444

A

1001－2303（2017）06－0023-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.06.05

2017-06-01

湖北省重大科技創新計劃項目（2015AAA004）

張富巨（1951—），男，教授，博士生導師，主要從事高效率弧焊技術與設備的開發研究工作。E-mail：871215648@qq.com。

本文參考文獻引用格式：張富巨，郭嘉琳，張國棟.三種窄間隙焊接技術的特性比較與應用選擇[J].電焊機，2017，47（06）：23-27.